DE4102179A1 - Verfahren und anordnung zum betreiben einer kaeltemaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben einer Kältemaschine mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein Verdichter, ein Kondensator, eine Drosseleinrichtung und ein Verdampfer geschaltet sind. Derartige Kältemaschinen werden z. B. in der Klimatechnik eingesetzt. Dabei strömen im Kälte­ mittelkreislauf etwa 150 bis 200 kg eines toxischen Kältemittels, z. B. ein Kältemittel mit der Bezeichnung R22.

Bei einem Störfall, bei dem Kältemittel an einer Leckstelle im Kältemittelkreislauf austritt, wird bisher die Kältemaschine von einer Warte aus abgeschaltet und der Raum, in dem die Kälte­ maschine aufgestellt ist, belüftet. Dabei besteht die Gefahr, daß das gesamte Kältemittel entweicht, bevor der Schaden beho­ ben worden ist. Dies kann zu einer erheblichen Belastung der Umwelt führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Betreiben einer Kältemaschine der eingangs genannten Art ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die im Fall einer Leckage am Kältemittel­ kreislauf eine Reduzierung der austretenden Kältemittelmenge auf ein Minimum gewährleisten.

Bezüglich des Verfahrens wird die gestellte Aufgabe erfindungs­ gemäß dadurch gelöst,

• - daß bei Kältemittelaustritt der Kältemittelkreislauf vom Ver­ dichter aus gesehen hinter dem Kondensator abgesperrt wird,
• - daß das im Kältemittelkreislauf vorhandene Kältemittel in den Kondensator gefördert wird, und
• - daß danach der Kältemittelkreislauf vom Verdichter aus gesehen zusätzlich im Bereich vor dem Kondensator abgesperrt wird.

Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, daß während des Betriebs der Kältemaschine zu jeder Zeit mindestens 60% der Kältemittelmenge im Kondensator enthalten ist, und daß der Kondensator zur Aufnahme von mehr als 80% der Kältemittelmenge ausgelegt ist.

Um ein Ansaugen von Luft durch eine Leckstelle im Kältemittel­ kreislauf zu vermeiden, wird der Druck im Kältemittelkreislauf während der Förderung des Kältemittels in den Kondensator nicht unter den Umgebungsdruck abgesenkt, vorzugsweise nicht unter 0,18 MPa. Dazu wird zweckmäßigerweise während der Förderung des Kältemittels in den Kondensator der Druck im Kältemittelkreis­ lauf gemessen. Vorzugsweise wird der Druck zwischen Verdampfer und Verdichter gemessen.

Um einen Kältemittelaustritt frühzeitig zu erkennen, und um daraufhin eine schnellstmögliche Absperrung des Kältemittel­ kreislaufs zu erreichen, wird vorteilhafterweise der Kälte­ mittelaustritt von einem Gassensor erfaßt und der Kältemittel­ kreislauf aufgrund eines vom Gassensor abgegebenen Signals abgesperrt.

Dieses Verfahren wird zweckmäßigerweise mit einer Anordnung durchgeführt, bei der im Kältemittelkreislauf vom Verdichter aus gesehen hinter dem Kondensator ein bei Kältemittelaustritt betätigbares erstes Ventil vorgesehen ist, und bei der vom Verdichter aus gesehen vor dem Kondensator ein nach dem Schließen des ersten Ventils bei Erreichen eines vorgegebenen Drucks im Kältemittelkreislauf betätigbares zweites Ventil vorgesehen ist.

Zur Messung des Drucks im Kältemittelkreislauf ist zweckmäßiger­ weise zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter ein Druck­ sensor vorgesehen. Der Drucksensor ist vorteilhafterweise über eine Steuereinrichtung mit dem zweiten Ventil verbunden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemaßen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß im Fall einer Leckage der überwiegende Teil der im Kältemittelkreislauf vorhandenen Kältemittelmenge im Kondensator eingeschlossen wird, so daß nur ein vergleichsweise geringer Teil der Kältemittelmenge aus dem Kältemittelkreislauf entweichen kann. Der Betriebsaufwand und der Bauaufwand wird durch Einsparung von aufwendigen Abluftanlagen und durch Verminderung der zum Nachfüllen des Kältemittelkreislaufs bereitzustellenden Kältemittelmenge reduziert.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine in einer schematischen Darstellung, und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Kältemaschine 1 umfaßt einen Kältemittelkreislauf 2 in einem sogenannten Ein-Kreis-System mit einer Leistung von etwa 425 kW. Dabei strömen im Kältemittel­ kreislauf 2 etwa 150 bis 200 kg eines Kältemittels, z. B. das Kältemittel R22. Eine derartige Kältemaschine 1 wird z. B. in der Klimatechnik zur Kälteversorgung von Kaltwasserverbrauchern eingesetzt.

Der Kältemittelkreislauf 2 umfaßt einen Kondensator 3, eine Drosseleinrichtung 4, einen Verdampfer 5 und einen Verdichter 6. Der Kondensator 3 ist über eine Flüssigkeitsleitung 7, in die die Drosseleinrichtung 4 geschaltet ist, mit dem Verdampfer 5 verbunden. Dieser ist über eine Saugleitung 8 mit dem das Kühlmittel in den Kondensator 3 fördernden Verdichter 6 ver­ bunden.

Der Kondensator 3 weist sekundärseitig eine von einem Kühl­ mittel, z. B. Wasser, durchströmte Kühlschlange 9 auf.

In den Kältemittelkreislauf 2 ist vom Verdichter 6 aus gesehen hinter dem Kondensator 3 in die Kältemittelleitung 7 ein erstes Absperrventil 10 geschaltet. Ein zweites Ventil 11 ist vom Verdichter 6 aus gesehen vor dem Kondensator 3 in die Saugleitung 8 geschaltet.

Beim Betrieb der Kältemaschine 1 wird das Kältemittel in dampf­ förmigem Zustand in Richtung des Pfeils 14 aus dem Verdampfer 5 vom Verdichter 6 über die Saugleitung 8 angesaugt und auf Konden­ satdruck p₁ verdichtet. Im Kondensator 3 wird der verdichtete Dampf unter Wärmeabgabe an das durch die Schleife 9 strömende Kühlmittel verflüssigt. Das nun flüssige Kältemittel strömt über die Flüssigkeitsleitung 7 und durch die Drosseleinrichtung 4 in den Verdampfer 5. In der Drosseleinrichtung 4 wird das Kältemittel auf niedrigen Druck p₂ entspannt. Die Drosselein­ richtung 4 verhindert dabei während des Betriebs einen Druck­ ausgleich zwischen dem Kondensator 3 und dem Verdichter 4. Im Verdampfer 5 verdampft das Kältemittel und entzieht dabei der Umgebung die hierzu erforderliche Wärme, so daß sich hier die eigentliche Kälteerzeugung vollzieht. Dieser Kreislauf beginnt nun von neuem.

Die Verteilung des Kältemittels als Stoff im Kältemittelkreis­ lauf 2 ist beim Betrieb der Kältemaschine 1 sehr unterschiedlich. In Fig. 1 ist der Kältemittelkreislauf 2 in sechs durch strich­ punktierte Linien dargestellte Bereiche unterteilt. Die prozen­ tualen Zahlenangaben geben die Verteilung des Kältemittels in den jeweiligen Bereichen bei Vollastbetrieb an. Danach sind bei Vollastbetrieb, d. h. im ungünstigsten Fall, mindestens 60% des Kältemittels k im Kondensator 3. Im Verdampfer 5 sind etwa 28% und in der Flüssigkeitsleitung 7 mit der Drosseleinrichtung 4 sind etwa 8% des Kältemittels. In der Saugleitung 8 sind im Bereich zwischen dem Verdampfer 5 und dem Verdichter 6 etwa 1,5% und im Bereich zwischen dem Verdichter 6 und dem Kondensator 3 etwa 0,7% des Kältemittels. Im Verdichter 6 sind etwa 1,3% des Kältemittels. Bei Teillastbetrieb sind im Kondensator etwa 80% des Kältemittels, so daß lediglich die verbleibenden 20% auf die übrigen Bereiche des Kältemittelkreislaufs 2 verteilt sind.

Im Fall einer Leckage am Kältemittelkreislauf 2 wird ein Kälte­ mittelaustritt von einem Gassensor 15 registriert und ein Signal zum Absperren des Ventils 10 über eine Signalleitung 16 abgegeben. Gleichzeitig wird mit Hilfe einer Steuereinrichtung 17, die mit dem Gassensor 15 über eine Leitung 18 verbunden ist, der Verdichter 6 auf minimale Verdichterleistung reduziert. Vom Gassensor 15 kann ein weiteres Signal in nicht näher dar­ gestellter Art und Weise an eine Warte abgegeben werden.

Anschließend wird das in der Flüssigkeitsleitung 8, im Verdich­ ter 5 und in der Saugleitung 7 noch vorhandene Kältemittel in den Kondensator 3 gefördert. Um während des Förderns des Kälte­ mittels in den Kondensator 3 ein Eindringen von Luft in den Kältemittelkreislauf 2 zu vermeiden, wird dieser nur bis auf einen Druck von etwa 0,18 MPa abgesaugt. Sobald dieser Druck erreicht ist, wird der Verdichter 6 abgeschaltet. Dazu ist der Verdichter 6 über einer Steuerleitung 19 mit der Steuereinrich­ tung 17 verbunden, der über eine Leitung 20 von einem Drucksen­ sor 12 gemessene Druckwerte übermittelt werden. Der Drucksensor 12 ist zweckmäßigerweise zwischen dem Verdampfer 5 und dem Ver­ dichter 6 angeordnet. Um einen Rückfluß des Gases aus dem Kon­ densator 3 in den abgeschalteten Verdichter 6 zu verhindern, wird anschließend das Ventil 11 geschlossen. Dazu ist das Ventil 11 über eine Steuerleitung 21 mit der Steuereinrichtung 17 verbunden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist gewährleistet, daß auch im ungünstigsten Fall, d. h. bei einer größtmöglichen Leckage im Kältemittelkreislauf 2 in Strömungsrichtung des Kältemittels hinter dem Kondensator 3 maximal 40% des Kälte­ mittels entweichen kann. Mit anderen Worten: Auch im ungünstig­ sten Fall können mindestens 60% des Kältemittels im Kondensa­ tor 3 eingeschlossen werden, solange dieser dicht ist.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind zwei Drosseleinrich­ tungen 4a und 4b sowie zwei Verdampfer 5a und 5b vorgesehen, die jeweils parallel zueinander in den Kältemittelkreislauf 2 geschaltet sind. Die an den Kondensator 3 angeschlossene Flüs­ sigkeitsleitung 7 verzeigt sich in zwei Leitungen 7a und 7b, in die jeweils ein Absperrventil 30 bzw. 31 geschaltet ist. Die Verdampfer 5a und 5b sind an jeweils eine Saugleitung 8a bzw. 8b angeschlossen, die in die gemeinsame Saugleitung 8 münden. Die Saugleitung 8a enthält ein Absperrventil 34 und die Saugleitung 8b ein Absperrventil 35. Die übrigen Teile entsprechen denen in Fig. 1 und sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Zur besseren Übersicht sind die übrigen, im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dargestellten Teile, weggelassen.

Im störungsfreien Betrieb ist je eines der Ventile 30 oder 31 sowie 34 oder 35, z. B. die Ventile 31 und 35, abgesperrt, so daß der Kältemittelkreislauf 2 über die Drosseleinrichtung 4a und den Verdampfer 5a geschlossen ist. Im Fall einer Leckage im Bereich zwischen einer Verzweigungsstelle 32 der Flüssigkeits­ leitung 7 und einer Anschlußstelle 33 der Saugleitung 8, d. h. im Bereich der Leitung 7a, der Drossel 4a, des Verdampfers 5a oder der Saugleitung 8a, wird - wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschrieben - das Ventil 10 geschlossen und der Verdichter 6 auf minimale Verdichterleistung heruntergefahren. Anschließend wird das in der Flüssigkeitsleitung 7a und im Verdampfer 5a sowie in den vor dem Verdichter 6 liegenden Saug­ leitungen 8 und 8a vorhandene Kältemittel abgesaugt und in den Kondensator 3 gefördert. Um dabei eine Druckabsenkung im Kälte­ mittelkreislauf 2 unter Umgebungsdruck zu vermeiden, ist zweck­ mäßigerweise das Ventil 11 als Rückschlagventil ausgebildet, das bei einem vorgegebenen Druck, z. B. bei 0,18 MPa, automatisch schließt. Das Rückschlagventil 11 öffnet dann automatisch wieder, nachdem die Ventile 31 und 35 geöffnet sind, und der Verdichter 6 auf normale Verdichterleistung hochgefahren wird. Bei diesem Betriebszustand erfolgt die Kühlung dann über die Drossel 4b und den Verdampfer 5b.

Durch eine derartige Redundanz eines großen Teils des Kälte­ mittelkreislaufs 2 ist ein nahezu kontinuierlicher Betrieb der Kältemaschine 1 im Fall einer Leckage möglich. Um die Möglich­ keit einer Leckage an der Flüssigkeitsleitung 7 und an der Saugleitung 8 zu begrenzen, sind diese möglichst kurz.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben einer Kältemaschine (1) mit einem Kältemittelkreislauf (2), in den ein Verdichter (6), ein Konden­ sator (3), eine Drosseleinrichtung (4) und ein Verdampfer (5) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß bei Kältemittelaustritt der Kältemittelkreislauf (2) vom Verdichter (6) aus gesehen hinter dem Kondensator (3) abgesperrt wird,
• - daß das im Kältemittelkreislauf (2) vorhandene Kältemittel (k) in den Kondensator (3) gefördert wird und
• - daß danach der Kältemittelkreislauf (2) vom Verdichter (6) aus gesehen zusätzlich im Bereich vor dem Kondensator (3) abge­ sperrt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p) im Kältemittelkreislauf (2) während der Förderung des Kältemittels in den Kondensator (3) nicht unter den Umgebungs­ druck, vorzugsweise nicht unter 0,18 MPa, abgesenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens während der Förderung des Kältemittels in den Kondensator (3) der Druck im Kältemittelkreislauf (2) gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Kältemittelkreislauf (2) zwischen Verdampfer (5) und Ver­ dichter (6), vorzugsweise am Verdichtereingang, gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kälte­ mittelaustritt von einem Gassensor (15) erfaßt wird, und daß der Kältemittelkreislauf (2) aufgrund eines vom Gassensor (15) abgegebenen Signals abgesperrt wird.

6. Anordnung zum Betreiben einer Kältemaschine (1) mit einem Kältemittelkreislauf (2), in dem ein Verdichter (6), ein Konden­ sator (3), eine Drosseleinrichtung (4) und ein Verdampfer (5) hintereinander liegen, insbesondere zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß im Kältemittelkreislauf (2) vom Verdichter (6) aus gesehen hinter dem Kondensator (3) ein bei Kältemittelaustritt betätigbares erstes Ventil (10) vorgesehen ist, und
• - daß vom Verdichter (6) aus gesehen vor dem Kondensator (3) ein nach dem Schließen des ersten Ventils (10) bei Erreichen eines vorgegebenen Drucks (p) im Kältemittelkreislauf (2) betätigbares zweites Ventil (2) vorgesehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gassensor (15) vorgesehen ist, der über eine Signalleitung (16) das erste Ventil (10) zusteuert.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Kältemittel­ kreislauf (2) zwischen dem Verdampfer (5) und dem Verdichter (6) ein Drucksensor (12) vorgesehen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer­ einrichtung (17) vorgesehen ist, die mit dem Verdichter (6), mit dem Drucksensor (12) und/oder mit dem zweiten Ventil (11) verbunden ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ einrichtung (17) vom Gassensor (15) und/oder vom Drucksensor (12) gesteuert ist.